RU2761361C1 - Triboelectric sensor for controlling a movable thin object - Google Patents
Triboelectric sensor for controlling a movable thin object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2761361C1 RU2761361C1 RU2021106616A RU2021106616A RU2761361C1 RU 2761361 C1 RU2761361 C1 RU 2761361C1 RU 2021106616 A RU2021106616 A RU 2021106616A RU 2021106616 A RU2021106616 A RU 2021106616A RU 2761361 C1 RU2761361 C1 RU 2761361C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thin object
- shaft
- gap
- gear shaft
- receiving electrode
- Prior art date
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 38
- YBIDYTOJOXKBLO-USLOAXSXSA-N (4-nitrophenyl)methyl (5r,6s)-6-[(1r)-1-hydroxyethyl]-3,7-dioxo-1-azabicyclo[3.2.0]heptane-2-carboxylate Chemical compound C([C@@H]1[C@H](C(N11)=O)[C@H](O)C)C(=O)C1C(=O)OCC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1 YBIDYTOJOXKBLO-USLOAXSXSA-N 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 3
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 2
- 229920005615 natural polymer Polymers 0.000 description 2
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 description 1
- 239000002998 adhesive polymer Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000003970 interatomic potential Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 1
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
- G01B7/06—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
-
- G—PHYSICS
- G07—CHECKING-DEVICES
- G07D—HANDLING OF COINS OR VALUABLE PAPERS, e.g. TESTING, SORTING BY DENOMINATIONS, COUNTING, DISPENSING, CHANGING OR DEPOSITING
- G07D7/00—Testing specially adapted to determine the identity or genuineness of valuable papers or for segregating those which are unacceptable, e.g. banknotes that are alien to a currency
- G07D7/02—Testing electrical properties of the materials thereof
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и позволяет осуществлять контроль тонких листовых объектов за счет контроля состава и/или структуры поверхности такого тонкого объекта, перемещаемого через машину. Таким объектом может быть листовое изделие на бумажной основе, например, защищенное полиграфическое изделие. Изобретение было первоначально разработано для контроля поверхности банкнот, однако, оно может применяться и для контроля поверхности протяженных тонких объектов, таких как рулонное бумажное или тканое полотно. Для работы датчика необходимо, чтобы, по меньшей мере, часть тонкого объекта была бы диэлектрической.The invention relates to the field of control and measuring technology and allows you to control thin sheet objects by monitoring the composition and / or surface structure of such a thin object moved through the machine. Such an object can be a sheet product on a paper basis, for example, a security printed product. The invention was originally developed to inspect the surface of banknotes, however, it can also be applied to inspect the surface of extended thin objects such as a roll of paper or woven fabric. For the sensor to work, it is necessary that at least part of the thin object be dielectric.
Заявленный датчик производит скользящую контактную электризацию поверхности объекта и измерение поверхностной плотности возникающих при этом трибоэлектрических зарядов. Указанный принцип работы может быть использован для контроля химического состава и/или структуры поверхности объекта. Такой контроль важен в производственном процессе и позволяет выявить нарушения в характеристиках выпускаемой продукции. Современные защищенные полиграфические изделия, такие, как банкноты, являются многослойными ламинатами. Отдельные участки поверхности подобных изделий состоят из различных материалов с различной способностью к контактной электризации. Применение датчика позволяет, по поверхностной плотности заряда электризованной поверхности, измеренной на определенных участках изделия, определить его подлинность, а также наличие признаков ремонта либо подделки, выполненных при помощи клейкой ленты. Статическое электричество, известное еще со времен античности, до сих пор остается не до конца понятным физическим явлением. Считается, что поверхность диэлектрика, рассматриваемая как квантовая система, либо воспринимает электроны в так называемые поверхностные состояния, либо отдает их из поверхностных состояний, что приводит к появлению отрицательного либо положительного зарядов, соответственно. Количество поверхностных состояний на единицу площади и уровни их энергии различны для различных веществ, что определяет различную способность накапливать статическое электричество в виде поверхностной плотности зарядов. Поверхностная и объемная проводимость материала способствует диссипации (рассеянию, стеканию) накопленных зарядов, за счет чего накопленная поверхностная плотность зарядов спадает во времени тем быстрее, чем выше проводимость.The claimed sensor produces a sliding contact electrification of the surface of the object and the measurement of the surface density of the resulting triboelectric charges. This principle of operation can be used to control the chemical composition and / or surface structure of an object. Such control is important in the production process and allows you to identify violations in the characteristics of the products. Modern security printing products such as banknotes are multilayer laminates. Individual parts of the surface of such products are composed of different materials with different ability to contact electrification. The use of the sensor allows, according to the surface charge density of the electrified surface, measured in certain areas of the product, to determine its authenticity, as well as the presence of signs of repair or fake, made with adhesive tape. Static electricity, known since the times of antiquity, still remains an incompletely understood physical phenomenon. It is believed that the surface of a dielectric, considered as a quantum system, either receives electrons into the so-called surface states, or gives them away from surface states, which leads to the appearance of negative or positive charges, respectively. The number of surface states per unit area and their energy levels are different for different substances, which determines the different ability to accumulate static electricity in the form of surface charge density. The surface and bulk conductivity of a material promotes dissipation (scattering, draining) of accumulated charges, due to which the accumulated surface charge density decreases with time the faster, the higher the conductivity.
Контактная электризация возникает при двух видах смещения поверхности взаимодействующих тел: при скольжении одной поверхности вдоль другой либо при их отделении друг от друга по направлению нормали к поверхности. При взаимодействии металла и органического диэлектрика, в результате смещения отрицательные заряды сохраняются на диэлектрике, а положительные передаются металлу. В экспериментальных исследованиях было показано, что на плотность трибоэлектрического заряда, возникающего в результате контактной электризации, оказывает влияние не только химический состав поверхностей, но также их микро- и наноструктура. Согласно современным представлениям, контактная электризация в виде перехода электронов через межатомный потенциальный барьер происходит за счет перекрытия волновых функций электронов в атомах на контактирующих поверхностях и определяется действием макроскопических сил сжатия и трения поверхностей. В качестве альтернативного или дополнительного, рассматривается механизм электризации за счет разрыва межатомных и межмолекулярных связей на поверхности. С макроскопической точки зрения, электризацию можно рассматривать как термодинамический процесс. Термодинамически равновесная поверхностная плотность трибоэлектрических зарядов зависит от разности рабочих функций материалов контактирующих поверхностей, а приближение к равновесному значению происходит в результате повторяющихся циклов контактной электризации.Contact electrification occurs in two types of displacement of the surface of interacting bodies: when one surface slides along the other, or when they are separated from each other along the normal to the surface. When a metal and an organic dielectric interact, as a result of displacement, negative charges are retained on the dielectric, and positive charges are transferred to the metal. In experimental studies, it was shown that the density of the triboelectric charge arising as a result of contact electrification is influenced not only by the chemical composition of surfaces, but also by their micro- and nanostructure. According to modern concepts, contact electrification in the form of the transition of electrons through the interatomic potential barrier occurs due to the overlap of the wave functions of electrons in atoms on the contacting surfaces and is determined by the action of macroscopic forces of compression and friction of surfaces. As an alternative or additional, the mechanism of electrization is considered due to the rupture of interatomic and intermolecular bonds on the surface. From a macroscopic point of view, electrification can be viewed as a thermodynamic process. The thermodynamically equilibrium surface density of triboelectric charges depends on the difference in the working functions of the materials of the contacting surfaces, and the approach to the equilibrium value occurs as a result of repeated cycles of contact electrification.
Таким образом, поверхностная плотность статического заряда может характеризовать свойства поверхности материала. Большинство синтетических полимеров и некоторые природные органические диэлектрики (такие, как янтарь, шерсть, шелк) обладают способностью как генерировать высокую плотность заряда при контактной электризации, так и удерживать ее на поверхности. Вещества, содержащие природный полимер лигнин, такие, как бумага, отличаются невысокой способностью к генерации и сохранению электростатического заряда. Благодаря этому различию, измерение поверхностной плотности заряда может быть использовано для обнаружения разнородных веществ на поверхности тонкого объекта, например, фрагмента полимерной ленты, наклеенной на бумажную основу.Thus, the surface static charge density can characterize the surface properties of a material. Most synthetic polymers and some natural organic dielectrics (such as amber, wool, silk) have the ability to both generate a high charge density upon contact electrification and keep it on the surface. Substances containing the natural polymer lignin, such as paper, have a low ability to generate and retain an electrostatic charge. Due to this difference, the measurement of surface charge density can be used to detect dissimilar substances on the surface of a thin object, for example, a fragment of a polymer tape glued to a paper base.
В уровне техники известен контроль поверхностной плотности заряда банкноты для обнаружения чужеродного полимерного материала, наклеенного на нее. В патенте RU2670018 (опубл. 17.10.2018 г., МПК G07D 7/02) поверхностный заряд из электростатического генератора переносится на поверхность банкноты, транспортируемой через устройство. Далее, заряд, воспринятый поверхностью банкноты, снимается с этой поверхности и анализируется. Если на определенном участке банкноты находится чужеродное вещество, его поверхность воспринимает плотность заряда, отличающуюся от плотности заряда, воспринимаемой поверхностью банкноты. Эта разница обнаруживается при анализе заряда и позволяет обнаружить наличие чужеродного вещества. Названный патент отличается сложностью решения, поскольку перенос заряда реализован с помощью множества валов, находящихся в контакте друг с другом и с банкнотой. В патенте не описано используемое устройство для анализа статического заряда. Однако, специалистам известно, что надежное измерение абсолютной величины статического заряда представляет собой сложную техническую задачу, которая обычно требует использования вибрационного конденсатора (также известного как vibrating reed capacitor или динамический конденсатор) либо другого элемента с подвижными электродами. Это также усложняет описанное решение.It is known in the prior art to monitor the surface charge density of a banknote to detect foreign polymer material adhered to it. In patent RU2670018 (publ. 10/17/2018, IPC
Известен патент CN103996237 (опубл. 20.08.2014 г., МПК G07D 7/164), в котором контактная электризация банкноты осуществляется во время ее прохождения через пару плотно сжатых вращающихся валов. Валы имеют несколько различающиеся скорости вращения, что вызывает проскальзывание банкноты и ее контактную электризацию. Поверхностная плотность трибоэлектрического заряда банкноты измеряется конденсаторным индукционным датчиком с неподвижными электродами. Такой датчик реагирует на изменение поверхностной плотности заряда, но не может измерить абсолютное значение этой поверхностной плотности, чем объясняется его ограниченная применимость. В целом, невозможность измерить неизменное абсолютное значение заряда характерна для большинства полупроводниковых детекторов, которые не содержат движущихся частей.Known patent CN103996237 (publ. 08/20/2014, IPC G07D 7/164), in which contact electrification of the banknote is carried out during its passage through a pair of tightly compressed rotating shafts. The shafts have slightly different speeds of rotation, which causes the slip of the banknote and its contact electrification. The surface density of the triboelectric charge of the banknote is measured by a capacitor induction sensor with fixed electrodes. Such a sensor reacts to changes in the surface charge density, but cannot measure the absolute value of this surface density, which explains its limited applicability. In general, the inability to measure a constant absolute value of charge is common with most semiconductor detectors that do not contain moving parts.
Авторами был разработан и опробован электростатический датчик для контроля перемещаемого тонкого объекта, описанный в патенте RU2723971 (опубл. 18.06.2020 г., МПК G01D 5/241). В нем, тонкий объект пропускается в узком зазоре между проводящим зубчатым валом и приемным электродом. При вращении зубчатого вала изменяется емкость измерительного конденсатора, образуемого поверхностью зубчатого вала и приемным электродом. Она периодически уменьшается и увеличивается при прохождении каждого зуба мимо приемного электрода. Величина перепада емкости зависит от толщины и диэлектрической проницаемости тонкого объекта, что позволяет осуществлять контроль за счет обнаружения изменений толщины и/или состава материала тонкого объекта. Для измерения перепада емкости, на приемном электроде поддерживается заданное среднее значение потенциала относительно поверхности зубчатого вала, называемое поляризующим потенциалом. Перепады емкости измерительного конденсатора вызывают пропорциональные перепады напряжения на приемном электроде, амплитуда которых линейно зависит от поляризующего потенциала. Напряжение с приемного электрода подается на усилитель с высокоомным входом, который формирует выходное переменное напряжение датчика.The authors have developed and tested an electrostatic sensor for monitoring a movable thin object, described in patent RU2723971 (publ. 06/18/2020, IPC G01D 5/241). In it, a thin object is passed through a narrow gap between the conductive gear shaft and the receiving electrode. When the toothed shaft rotates, the capacitance of the measuring capacitor, formed by the surface of the toothed shaft and the receiving electrode, changes. It periodically decreases and increases with the passage of each tooth past the receiving electrode. The magnitude of the capacitance drop depends on the thickness and dielectric constant of the thin object, which allows monitoring by detecting changes in the thickness and / or composition of the material of the thin object. To measure the capacitance drop, a predetermined average value of the potential relative to the surface of the gear shaft, called the polarizing potential, is maintained at the receiving electrode. Changes in the capacitance of the measuring capacitor cause proportional voltage drops at the receiving electrode, the amplitude of which is linearly dependent on the polarizing potential. The voltage from the receiving electrode is fed to an amplifier with a high-resistance input, which forms the output alternating voltage of the sensor.
В ходе экспериментов с описанным датчиком дополнительно была выявлена его чувствительность к электростатическим зарядам, находящимся на поверхности тонкого объекта. Заряд на поверхности тонкого объекта, во время вращения вала, вызывает периодические перепады напряжения на приемном электроде, даже если поляризующий потенциал установлен равным нулю. При этом, амплитуда переменного напряжения на выходе датчика оказывается пропорциональной плотности заряда.In the course of experiments with the described sensor, its sensitivity to electrostatic charges on the surface of a thin object was additionally revealed. The charge on the surface of the thin object, during the rotation of the shaft, causes periodic voltage drops at the receiving electrode, even if the polarizing potential is set to zero. In this case, the amplitude of the alternating voltage at the sensor output is proportional to the charge density.
Чувствительность датчика к поверхностному заряду достигала максимума при расположении заряженной стороны объекта вблизи поверхности зубчатого вала. В случае касания объектом вала, если линейная скорость вершин зубьев превосходила скорость движения объекта, возникало проскальзывание зубьев по поверхности. Это проскальзывание приводило к контактной электризации поверхности, причем амплитуда выходного напряжения датчика была пропорциональна плотности полученного трибоэлектрического заряда. Таким образом, модификация датчика, описанного в RU2723971, дала возможность реализовать как контактную электризацию поверхности образца, так и измерение плотности полученного трибоэлектрического заряда, что позволило осуществлять контроль тонких объектов как за счет обнаружения неоднородности состава, так и отличий структуры их поверхности. Указанный патент был принят в качестве прототипа заявленного изобретения. Таким образом, заявленное изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств, позволяющих выполнять контроль тонких листовых объектов посредством контроля их поверхности. Техническим результатом является реализация назначения заявленного датчика, а именно осуществлять контроль тонкого перемещаемого объекта.The sensor's sensitivity to surface charge reached its maximum when the charged side of the object was located near the surface of the gear shaft. If the object touched the shaft, if the linear speed of the tops of the teeth exceeded the speed of the object, slippage of the teeth along the surface occurred. This slippage led to contact electrification of the surface, and the amplitude of the sensor output voltage was proportional to the density of the resulting triboelectric charge. Thus, the modification of the sensor described in RU2723971 made it possible to realize both the contact electrification of the sample surface and the measurement of the density of the obtained triboelectric charge, which made it possible to control thin objects both by detecting the inhomogeneity of the composition and differences in the structure of their surface. This patent was adopted as a prototype of the claimed invention. Thus, the claimed invention solves the problem of expanding the arsenal of technical means that make it possible to control thin sheet objects by controlling their surface. The technical result is the implementation of the purpose of the claimed sensor, namely, to control a thin movable object.
Дополнительным техническим результатом является повышение точности контроля тонкого объекта. Эти результаты достигаются тем, что трибоэлектрический датчик для контроля перемещаемого тонкого объекта содержит электропроводный зубчатый вал и приемный электрод, между которыми сформирован зазор для перемещения в нем тонкого объекта, при этом зубчатый вал установлен с возможностью вращения, при котором его поверхность, обращенная в зазор, движется в том же направлении, что и тонкий объект, с линейной скоростью, превышающей скорость движения тонкого объекта; усилитель, выполненный с возможностью формирования выходного сигнала датчика, причем приемный электрод связан со входом усилителя, при этом электрическая схема датчика выполнена с возможностью поддержания среднего значения разности потенциалов между приемным электродом и зубчатым валом на заранее заданном уровне, при этом зубчатый вал размещен на пути перемещения тонкого объекта с обеспечением касания первой поверхности тонкого объекта с поверхностью зубчатого вала, обращенной в зазор.An additional technical result is an increase in the accuracy of control of a thin object. These results are achieved in that a triboelectric sensor for monitoring a movable thin object contains an electrically conductive gear shaft and a receiving electrode, between which a gap is formed for moving a thin object in it, while the gear shaft is rotatably mounted, with its surface facing the gap, moves in the same direction as the thin object, with a linear speed that exceeds the speed of the thin object; amplifier configured to generate an output signal of the sensor, wherein the receiving electrode is connected to the input of the amplifier, while the electrical circuit of the sensor is configured to maintain the average value of the potential difference between the receiving electrode and the gear shaft at a predetermined level, while the gear shaft is located on the path of movement of the thin object, ensuring that the first surface of the thin object touches the surface of the gear shaft facing the gap.
Как было указано выше, в прототипе контроль перемещаемого тонкого объекта реализуется за счет измерения его толщины либо диэлектрической проницаемости, то есть параметров, характеризующих объем вещества объекта. В заявленном изобретении контроль перемещаемого тонкого объекта реализуется путем измерения плотности поверхностного трибоэлектрического заряда, то есть заряда, созданного при контактной электризации поверхности объекта в устройстве. Указанная плотность поверхностного заряда характеризует способность поверхности объекта к контактной электризации и позволяет различать неоднородности на поверхности объекта по их химическому составу и/или структуре поверхности. Свойства поверхности объекта, вообще говоря, не могут быть однозначно выведены из свойств, характеризующих объем вещества объекта, и потому являются независимыми самостоятельными характеристиками объекта. Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает расширение арсенала технических средств контроля тонкого перемещаемого объекта за счет возможности контроля его поверхностных характеристик.As mentioned above, in the prototype, the control of a movable thin object is implemented by measuring its thickness or dielectric constant, that is, parameters characterizing the volume of the object's substance. In the claimed invention, the control of a movable thin object is implemented by measuring the density of the surface triboelectric charge, that is, the charge created during the contact electrification of the surface of the object in the device. The indicated surface charge density characterizes the ability of the object surface to contact electrification and makes it possible to distinguish between inhomogeneities on the object surface by their chemical composition and / or surface structure. Generally speaking, the properties of the object's surface cannot be unambiguously derived from the properties that characterize the volume of the object's substance, and therefore are independent independent characteristics of the object. Thus, the claimed invention provides an expansion of the arsenal of technical means for monitoring a thin movable object due to the possibility of monitoring its surface characteristics.
Электропроводный зубчатый вал в заявленном датчике выполняет как функцию трибоэлектрического генератора поверхностного заряда, так и функцию подвижного электрода в измерителе поверхностного заряда. Генерация заряда происходит непосредственно на поверхности перемещаемого тонкого объекта, где этот заряд затем и остается. Зубчатая форма электропроводного вала, при его вращении, приводит к периодическому изменению как емкости измерительного конденсатора, образованного приемным электродом и поверхностью вала, так и расположения поверхностного заряда объекта по отношению к пластинам измерительного конденсатора. За счет этого, в измерительном конденсаторе наводится периодическое изменение заряда его обкладок. Разность потенциалов приемного электрода и зубчатого вала представляет собой напряжение на обкладках измерительного конденсатора. Поддержание среднего значения этого напряжения на заранее заданном уровне обеспечивает возможность работы усилителя, который преобразует наведенный заряд на приемном электроде в переменное выходное напряжение датчика, амплитуда которого зависит от поверхностного заряда объекта.The electrically conductive gear shaft in the claimed sensor performs both the function of a triboelectric surface charge generator and the function of a movable electrode in the surface charge meter. Charge generation occurs directly on the surface of the thin object being moved, where this charge then remains. The toothed shape of the electrically conductive shaft, when rotating, leads to a periodic change in both the capacitance of the measuring capacitor formed by the receiving electrode and the surface of the shaft, and the location of the surface charge of the object in relation to the plates of the measuring capacitor. Due to this, a periodic change in the charge of its plates is induced in the measuring capacitor. The potential difference between the receiving electrode and the gear shaft is the voltage across the plates of the measuring capacitor. Maintaining the average value of this voltage at a predetermined level allows the amplifier to operate, which converts the induced charge on the receiving electrode into an alternating output voltage of the sensor, the amplitude of which depends on the surface charge of the object.
Таким образом, вместо отдельного генератора статического заряда и множества валов для переноса этого заряда, используемых в документе RU2670018, в заявленном изобретении функции всех перечисленных элементов выполняет электропроводный зубчатый вал. Простое сочетание зубчатого вала, приемного электрода и усилителя выполняет функцию анализатора заряда. В заявленном изобретении, плотность поверхностного заряда, и вместе с ней выходной сигнал датчика, зависят не только от способности поверхности тонкого объекта удерживать статический заряд, но также и от способности этой поверхности к контактной электризации. Этим заявленное изобретение отличается от решения, описанного в документе RU2670018, где способность поверхности тонкого объекта к контактной электризации не анализируется датчиком. Благодаря учету указанного дополнительного свойства поверхности материала, увеличивается точность различения разнородных материалов на поверхности объекта, чем достигается дополнительный технический результат. В решении, описанном в CN103996237, способность поверхности к контактной электризации анализируется датчиком. Однако, валы, используемые для контактной электризации, представляют собой отдельную часть датчика и не вовлечены в процесс измерения плотности поверхностного заряда. Для этого измерения используется отдельная измерительная часть датчика. В заявленном изобретении, зубчатый вал обеспечивает как контактную электризацию, так и измерение плотности получаемого при этом заряда, чем обеспечивается простота технического решения.Thus, instead of a separate generator of static charge and a plurality of shafts for transferring this charge, used in document RU2670018, in the claimed invention, the functions of all the listed elements are performed by an electrically conductive gear shaft. The simple combination of the toothed shaft, receiving electrode and amplifier acts as a charge analyzer. In the claimed invention, the surface charge density, and with it the sensor output signal, depends not only on the ability of the surface of a thin object to hold static charge, but also on the ability of this surface to contact electrification. This is how the claimed invention differs from the solution described in document RU2670018, where the ability of the surface of a thin object to contact electrification is not analyzed by the sensor. By taking into account the specified additional property of the material surface, the accuracy of distinguishing dissimilar materials on the surface of the object increases, thereby achieving an additional technical result. In the solution described in CN103996237, the contact electrification capacity of the surface is analyzed by a sensor. However, the shafts used for contact electrification are a separate part of the sensor and are not involved in the measurement of the surface charge density. A separate measuring section of the sensor is used for this measurement. In the claimed invention, the gear shaft provides both contact electrification and measurement of the density of the resulting charge, which ensures the simplicity of the technical solution.
Поскольку поверхность зубчатого вала выполняет функцию подвижного электрода измерительного конденсатора, то обеспечивается возможность измерения' абсолютного значения поверхностного заряда, а не только его изменения, как происходит в измерителях без движущихся частей. Измерение абсолютного значения плотности заряда позволяет более точно характеризовать материал поверхности объекта. В известных технических решениях, таких, как CN103996237 и RU2670018, реализация способа измерения заряда не конкретизирована. Однако, для специалиста является очевидным, что с целью измерения абсолютного значения плотности заряда в этих решениях придется использовать дополнительные элементы с подвижными электродами, такие, как вибрационные конденсаторы, либо иные сложные элементы. Это дополнительно усложняет известные решения. Если же в названных решениях реализуется только измерение перепада плотности заряда, но не абсолютной величины указанной плотности, то это ухудшает точность различения разнородных материалов в сравнении с заявленным изобретением, т.е. соответственно снижает точность контроля объекта.Since the surface of the gear shaft performs the function of a moving electrode of the measuring capacitor, it is possible to measure the absolute value of the surface charge, and not only its change, as occurs in meters without moving parts. Measuring the absolute value of the charge density allows you to more accurately characterize the surface material of an object. In known technical solutions, such as CN103996237 and RU2670018, the implementation of the method for measuring the charge is not specified. However, for a specialist it is obvious that in order to measure the absolute value of the charge density in these solutions, you will have to use additional elements with movable electrodes, such as vibration capacitors, or other complex elements. This further complicates the known solutions. If in the named solutions only the measurement of the difference in the charge density is realized, but not the absolute value of the indicated density, then this worsens the accuracy of distinguishing dissimilar materials in comparison with the claimed invention, i.e. correspondingly reduces the accuracy of object control.
Иными словами, в известном уровне техники не выявлены решения, позволяющие решить задачу контроля поверхностных характеристик поверхности тонкого объекта путем ее контактной электризации и измерения абсолютной величины плотности возникающего при этом поверхностного заряда, с помощью достаточно простых средств, как это обеспечивает заявленное изобретение. Заявленное изобретение, за счет измерения абсолютной величины плотности поверхностного заряда с использованием сравнительно простых средств, обеспечивает повышение точности контроля тонкого объекта, чем достигается дополнительный технический результат.In other words, in the prior art, no solutions have been identified that allow solving the problem of monitoring the surface characteristics of the surface of a thin object by means of its contact electrification and measuring the absolute value of the density of the resulting surface charge using fairly simple means, as provided by the claimed invention. The claimed invention, by measuring the absolute value of the surface charge density using relatively simple means, provides an increase in the accuracy of control of a thin object, thereby achieving an additional technical result.
Рассмотрим различные возможности улучшений при реализации заявленного изобретения. Приемный электрод может быть закрыт изолирующим слоем со всех сторон, что дает два дополнительных улучшения. Во-первых, уменьшается как утечка заряда измерительного конденсатора по мостикам загрязнений, так и натекание в него заряда при случайном непосредственном контакте с объектом. Это важно для уменьшения помех работе датчика. Во-вторых, для уменьшения трения и износа в датчике, изолирующий слой может быть выполнен из широкой гаммы доступных износостойких диэлектрических материалов, таких как керамическое напыление, износостойкие марки стекол или полимеров. Среднее значение разности потенциалов между поверхностями приемного электрода и зубчатого вала, то есть среднее напряжение на измерительном конденсаторе, может иметь как нулевое, так и ненулевое значение. При нулевом среднем значении напряжения на измерительном конденсаторе, заряд в этом конденсаторе наводится только за счет статического заряда, находящегося в зазоре. Этим зарядом, в основном, является трибоэлектрический заряд на поверхности тонкого объекта, и в меньшей степени, свободный заряд на поверхности изолирующего слоя. Соответственно, выходное напряжение датчика, главным образом, определяется трибоэлектрическим зарядом на поверхности тонкого объекта.Consider the various possibilities for improvement in the implementation of the claimed invention. The receiving electrode can be covered with an insulating layer on all sides, which gives two additional improvements. Firstly, both the leakage of the charge of the measuring capacitor through the bridges of pollution and the leakage of charge into it during accidental direct contact with the object are reduced. This is important to reduce interference with the sensor. Second, to reduce friction and wear in the sensor, the insulating layer can be made from a wide range of available wear-resistant dielectric materials such as ceramic spraying, wear-resistant glass or polymer grades. The average value of the potential difference between the surfaces of the receiving electrode and the gear shaft, that is, the average voltage across the measuring capacitor, can have both zero and non-zero values. When the average voltage across the measuring capacitor is zero, the charge in this capacitor is induced only by the static charge in the gap. This charge is mainly the triboelectric charge on the surface of the thin object, and to a lesser extent, the free charge on the surface of the insulating layer. Accordingly, the output voltage of the sensor is mainly determined by the triboelectric charge on the surface of the thin object.
Если же среднее значение напряжения на измерительном конденсаторе поддерживается на заданном ненулевом уровне, то в конденсаторе возникает дополнительный заряд, пропорциональный этому уровню. Благодаря наличию дополнительного заряда, даже в отсутствии тонкого объекта в зазоре на выходе датчика возникает переменное напряжение. Его амплитуда определяется величиной периодического изменения емкости измерительного конденсатора, происходящего по мере вращения зубчатого вала. Значение указанного переменного напряжения может быть использовано для наблюдения за состоянием датчика, например, для проверки ширины зазора или контроля степени загрязнения впадин между зубьями вала.If the average value of the voltage across the measuring capacitor is maintained at a given non-zero level, then an additional charge appears in the capacitor, proportional to this level. Due to the presence of an additional charge, even in the absence of a thin object in the gap, an alternating voltage appears at the output of the sensor. Its amplitude is determined by the value of the periodic change in the capacitance of the measuring capacitor, which occurs as the gear shaft rotates. The value of the specified alternating voltage can be used to monitor the condition of the sensor, for example, to check the width of the gap or to monitor the degree of contamination of the cavities between the teeth of the shaft.
В возможных реализациях заявленного изобретения дополнительно вводится защитный электрод, частично охватывающий приемный электрод. При его соединении с постоянным потенциалом, часть силовых линий полей внешних электростатических помех заканчиваются на эквипотенциальной поверхности защитного электрода и не достигают поверхности приемного электрода. Это позволяет уменьшить уровень помех и повысить чувствительность. Вход усилителя в электрической схеме датчика может быть чувствительным к напряжению либо к току. В одной из реализаций, может использоваться электрометрический усилитель напряжения с очень высоким входным сопротивлением и малым током утечки. В этой реализации, при периодическом изменении наведенного заряда измерительного конденсатора по мере вращения зубчатого вала, суммарный заряд в измерительном конденсаторе и паразитных емкостях приемного электрода остается практически неизменным, а напряжение на конденсаторе периодически меняется.In possible implementations of the claimed invention, a protective electrode is additionally introduced, partially covering the receiving electrode. When connected to a constant potential, part of the lines of force of the fields of external electrostatic interference end at the equipotential surface of the protective electrode and do not reach the surface of the receiving electrode. This reduces the noise level and increases the sensitivity. The amplifier input in the sensor circuitry can be either voltage or current sensitive. In one implementation, an electrometric voltage amplifier with very high input impedance and low leakage current can be used. In this implementation, with a periodic change in the induced charge of the measuring capacitor as the gear shaft rotates, the total charge in the measuring capacitor and the parasitic capacitances of the receiving electrode remains practically unchanged, and the voltage across the capacitor changes periodically.
В другой возможной реализации, может использоваться усилитель с токовым входом, который обеспечивает усиление тока, втекающего в измерительный конденсатор или вытекающего из него. Выходной сигнал датчика оказывается пропорциональным скорости периодического изменения наведенного заряда измерительного конденсатора, возникающего по мере вращения зубчатого вала. В усилителе с токовым входом напряжение приемного электрода меняется в малой степени, поэтому потери заряда в паразитных емкостях и сопротивлениях утечки приемного электрода также оказываются достаточно малыми. Усилитель с токовым входом требует специальных мер по обеспечению стабильности, поскольку источник сигнала имеет чисто емкостной характер, что может привести к самовозбуждению. Такие меры направлены на сохранение достаточного запаса фазы в цепи обратной связи усилителя и хорошо известны специалистам.In another possible implementation, an amplifier with a current input can be used, which amplifies the current flowing into or out of the measuring capacitor. The output signal of the sensor turns out to be proportional to the rate of periodic change in the induced charge of the measuring capacitor, which occurs as the gear shaft rotates. In an amplifier with a current input, the voltage of the receiving electrode changes to a small extent; therefore, the charge losses in the parasitic capacitances and leakage resistances of the receiving electrode are also quite small. An amplifier with a current input requires special measures to ensure stability, since the signal source is purely capacitive in nature, which can lead to self-excitation. Such measures are aimed at maintaining a sufficient phase margin in the feedback loop of the amplifier and are well known to those skilled in the art.
При движении в датчике, объект может касаться, по меньшей мере, одного либо двух соседних зубьев вала. Однако, за счет огибания объектом определенной дуги поверхности зубчатого вала, количество зубьев, находящихся в контакте с объектом, может быть увеличено. Так как линейная скорость поверхности зубчатого вала превышает скорость движения тонкого объекта, то зубья, находящиеся в контакте с объектом, скользят по нему и оставляют электризованный след. Длина следа растет со скоростью, равной разности линейных скоростей поверхностей зубчатого вала и объекта. За время контакта, электризованный след постепенно заполняет интервал, отделяющий его от начала другого следа, оставленного соседним зубом. В результате, он может достигнуть начала другого следа, что приведет к повторению цикла электризации на уже ранее электризованном участке поверхности объекта. При достаточной разнице указанных линейных скоростей и достаточном количестве зубьев, находящихся в контакте, цикл электризации одного и того же участка поверхности объекта может происходить многократно. Как было указано ранее, при повторении циклов контактной электризации одного и того же участка поверхности диэлектрика, плотность трибоэлектрического заряда на этом участке растет постепенно и приближается к некоторому термодинамически равновесному значению, которое определяется свойствами трущихся поверхностей и условиями контакта.When moving in the sensor, the object can touch at least one or two adjacent shaft teeth. However, by bending the object around a certain arc of the surface of the gear shaft, the number of teeth in contact with the object can be increased. Since the linear speed of the surface of the gear shaft exceeds the speed of movement of a thin object, the teeth in contact with the object slide over it and leave an electrified track. The length of the track grows at a rate equal to the difference between the linear velocities of the surfaces of the gear shaft and the object. During the contact time, the electrified trail gradually fills the interval separating it from the beginning of another trail left by the adjacent tooth. As a result, it can reach the beginning of another track, which will lead to a repetition of the electrification cycle on an already electrified section of the object's surface. With a sufficient difference between these linear velocities and a sufficient number of teeth in contact, the electrification cycle of the same area of the object surface can occur repeatedly. As mentioned earlier, when repeating the cycles of contact electrification of the same section of the dielectric surface, the density of the triboelectric charge in this section grows gradually and approaches a certain thermodynamic equilibrium value, which is determined by the properties of the rubbing surfaces and the contact conditions.
1. Датчик регистрирует плотность заряда на участке поверхности объекта в момент, непосредственно предшествующий выходу этого участка из зазора. Таким образом, если объект касается двух или большего числа зубьев зубчатого вала на участке движения объекта, предшествующего выходу объекта из зазора, то это приводит к двум положительным эффектам. При малой разнице скоростей поверхностей вала и объекта, увеличение числа контактирующих зубьев уменьшает площадь участков на поверхности объекта, не подвергнутых контактной электризации, поскольку электризация каждым зубом продолжается на более протяженном пути перед выходом из зазора и оставляет более длинный электризованный след. При большой разнице скоростей поверхностей вала и объекта, увеличение числа контактирующих зубьев увеличивает количество скользящих проходов зубьев по одному и тому же участку объекта перед выходом этого участка из зазора, то есть увеличивается количество циклов электризации этого участка. Как в том, так и в другом случае, увеличивается средняя плотность трибоэлектрического заряда участка поверхности объекта, находящегося в зазоре. Соответственно, возрастает амплитуда выходного напряжения датчика, что способствует повышению чувствительности. Практическим путем было установлено, что оптимальным является, когда линейная скорость поверхности зубчатого вала, обращенной в зазор, превышает скорость движения тонкого объекта в 1,6 раза.1. The sensor registers the charge density on a section of the object's surface at the moment immediately preceding the exit of this section from the gap. Thus, if the object touches two or more teeth of the toothed shaft in the area of movement of the object, preceding the exit of the object from the gap, then this leads to two positive effects. With a small difference in the speeds of the surfaces of the shaft and the object, an increase in the number of contacting teeth reduces the area of areas on the surface of the object that are not subjected to contact electrification, since the electrification by each tooth continues on a longer path before leaving the gap and leaves a longer electrified track. With a large difference in the speeds of the surfaces of the shaft and the object, an increase in the number of contacting teeth increases the number of sliding passes of the teeth along the same section of the object before this section leaves the gap, that is, the number of electrification cycles of this section increases. In either case, the average density of the triboelectric charge of the area of the object surface located in the gap increases. Accordingly, the amplitude of the output voltage of the sensor increases, which contributes to an increase in sensitivity. In a practical way, it was found that it is optimal when the linear speed of the surface of the gear shaft, facing the gap, exceeds the speed of movement of a thin object by 1.6 times.
На пути перемещения тонкого объекта в зазор может быть установлен дополнительный электропроводный вал, гальванически связанный с зубчатым валом, и установленный с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения зубчатого вала, причем линейная скорость поверхности дополнительного вала превышает скорость движения тонкого объекта, и при этом для поверхности дополнительного вала обеспечивается касание второй поверхности тонкого объекта, противоположной первой поверхности.On the path of movement of a thin object, an additional electrically conductive shaft can be installed in the gap, galvanically connected to the gear shaft, and installed with the ability to rotate in the direction opposite to the direction of rotation of the gear shaft, and the linear velocity of the surface of the additional shaft exceeds the speed of movement of the thin object, and at the same time for the surface of the additional shaft is provided with contact with the second surface of the thin object, opposite the first surface.
В заявленном изобретении, контактную электризацию первой поверхности тонкого объекта всегда обеспечивает скольжение по ней зубьев зубчатого вала. Дополнительный вал, установленный указанным образом, обеспечивает контактную электризацию второй поверхности тонкого объекта, также за счет скольжения. Гальваническая связь между дополнительным и зубчатым валами дает возможность перераспределения зарядов, переданных дополнительному валу в процессе контактной электризации.In the claimed invention, the contact electrification of the first surface of a thin object always ensures that the teeth of the toothed shaft slide along it. An additional shaft installed in this way provides contact electrification of the second surface of a thin object, also due to sliding. The galvanic connection between the auxiliary shaft and the toothed shaft makes it possible to redistribute the charges transferred to the auxiliary shaft in the process of contact electrification.
Когда в устройстве используется дополнительный вал, электризации подвергаются обе поверхности тонкого объекта, причем поверхностная плотность зарядов на каждой из поверхностей определяется химическим составом и структурой этой поверхности. При попадании в измерительный конденсатор датчика происходит преобразование плотностей заряда на каждой из сторон тонкого объекта в размах выходного напряжения датчика. Этот размах характеризует химический состав и структуру обеих поверхностей на участке тонкого объекта, находящемся в измерительном конденсаторе, без возможности разделения на вклад каждой из сторон. Описанное усовершенствование заявленного изобретения позволяет контролировать наличие неоднородности сразу на обеих поверхностях тонкого объекта.When an additional shaft is used in the device, both surfaces of a thin object are electrified, and the surface charge density on each of the surfaces is determined by the chemical composition and structure of this surface. When it enters the measuring capacitor of the sensor, the charge density on each side of the thin object is converted into the swing of the sensor's output voltage. This range characterizes the chemical composition and structure of both surfaces in the section of a thin object located in the measuring capacitor, without the possibility of separating into the contribution of each of the sides. The described improvement of the claimed invention makes it possible to control the presence of inhomogeneity on both surfaces of a thin object at once.
Применение единого зубчатого вала, длина которого равна ширине тонкого объекта или превышает ее, позволяет расположить рядом множество датчиков согласно заявленному изобретению, чтобы получить составной многоэлементный датчик. Такое использование изобретения позволяет применять его для контроля всех зон поверхности тонкого объекта и получения двумерного массива откликов, величина которых определяется свойствами поверхности объекта.The use of a single gear shaft, the length of which is equal to or greater than the width of the thin object, allows a plurality of sensors according to the claimed invention to be placed side by side to obtain a composite multi-element sensor. This use of the invention makes it possible to apply it to control all areas of the surface of a thin object and obtain a two-dimensional array of responses, the magnitude of which is determined by the properties of the object's surface.
На Фиг. 1 схематически изображена реализация датчика согласно заявленному изобретению.FIG. 1 schematically shows an implementation of a sensor according to the claimed invention.
На Фиг. 2 изображен процесс контактной электризации при огибании банкнотой зубчатого вала.FIG. 2 shows the process of contact electrification when the banknote goes around the gear shaft.
На Фиг. 3 показаны графики зависимости наведенного заряда приемного электрода от положения банкноты в зазоре.FIG. 3 shows the graphs of the dependence of the induced charge of the receiving electrode on the position of the banknote in the gap.
На Фиг. 4 показана конфигурация датчика с использованием зубчатого вала и дополнительного вала.FIG. 4 shows a transducer configuration using a gear shaft and an auxiliary shaft.
В качестве примера реализации рассматривается применение трибоэлектрического датчика в машине для обработки банкнот, которые, в данном случае, считаются тонкими объектами в терминологии описания и формулы заявленного изобретения. Механизм машины подает банкноты по одной в банкнотопроводный тракт и перемещает их через датчик. Датчик используется для контроля банкнот с целью обнаружения наклеенной на поверхность банкноты клейкой полимерной ленты, что необходимо для выявления и отбраковки изношенных и поврежденных банкнот. Металлический зубчатый вал 1 расположен в банкнотопроводном тракте машины и приводится во вращение от мотора механизма машины (не показан). Окружная скорость V1 на вершинах зубьев вала 1 выбрана примерно в 1,6 раза большей, чем линейная скорость V4 перемещения банкноты 4, которую обеспечивает банкнотопроводный тракт. Элементы банкнотопроводного тракта (на рисунке не показаны) обеспечивают контакт между поверхностью банкноты и зубчатым валом.As an example of implementation, the use of a triboelectric sensor in a machine for processing banknotes is considered, which, in this case, are considered subtle objects in the terminology of the description and the claims of the claimed invention. The mechanism of the machine feeds banknotes one by one into the banknote path and moves them through the sensor. The sensor is used to monitor banknotes in order to detect adhesive polymer tape glued to the surface of the banknote, which is necessary for identifying and rejecting worn out and damaged banknotes. The
Чувствительным элементом датчика является приемный электрод 2, охваченный изолирующим полимерным слоем 9 (см. Фиг. 2) и частично охваченный защитным электродом 3. Изолирующий слой 9 заполняет пространство между приемным электродом 2 и защитным электродом 3. Полимер, из которого выполнен изолирующий слой 9, является износостойким, и обеспечивает малый коэффициент трения по бумаге.The sensitive element of the sensor is the receiving
Между зубчатым валом 1 и приемным электродом 2 сформирован зазор, ограничиваемый, с одной стороны, поверхностью вала 1, а, с другой стороны, поверхностью полимерного изолирующего слоя 9. Банкнота 4 проходит по тракту в указанном зазоре, прижатая к поверхности вала 1. При этом, ширина зазора примерно в пять раз превышает толщину банкноты.Between the
Зубчатый вал 1 через шариковые подшипники, заполненные электропроводной смазкой (не показаны на рисунке), соединен с общим эквипотенциальным контуром машины, который соединяет вместе ее электропроводные конструктивные элементы. В данном описании, мы будем называть этот контур цепью заземления GND.The
Защитный электрод 3 охватывает приемный электрод 2 со всех сторон, кроме стороны, обращенной к поверхности зубчатого вала 1. За счет этого, внешние электрические поля, создающие помехи для работы датчика, замыкаются на поверхность защитного электрода 3. Поэтому, влияние помех на приемный электрод 2, в очень значительной степени, ослабляется.The
Приемный электрод 2 подключен к входу полупроводникового электрометрического усилителя 5, который построен на основе операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе. Операционный усилитель используется в неинвертирующей схеме включения. Вход усилителя 5 представляет собой неинвертирующий вход операционного усилителя. Входное сопротивление такого усилителя составляет единицы гигаом. Усилитель 5 изображен упрощенно, без указания цепей питания и обратной связи. Входное и выходное напряжение усилителя 5 отсчитываются от потенциала GND. Между приемным электродом 2 и цепью заземления GND включен резистор смещения 6, который обеспечивает подачу потенциала общего провода на приемный электрод 2. Резистор 6 имеет высокое сопротивление, измеряемое десятками или сотнями мегаом. Параллельно резистору 6 оказывается подключенным паразитный конденсатор 7, который объединяет в себе паразитные емкости между приемным 2 и защитным 3 электродами, входную емкость усилителя 5, а также емкость монтажа. Емкость паразитного конденсатора 7 равна С7. Эта емкость многократно превосходит емкость измерительного конденсатора CIN, образуемую зубчатой поверхностью вала 1 и приемным электродом 2. Интегрирующая цепь, образуемая резистором 6 и конденсатором 7, поддерживает нулевое значение среднего потенциала на приемном электроде 2 по отношению к цепи GND и, соответственно, к зубчатому валу 1. Изолирующий слой 9, охватывающий приемный электрод 2, блокирует токи утечки в обход резистора 6 и конденсатора 7, которые могли бы протекать за счет касания банкнотой 4 приемного электрода 2 или за счет образования проводящих мостиков от приемного электрода 2 по слою загрязнений на другие цепи.The receiving
Напряжение на защитном электроде подвергается усилению при помощи усилителя 5. После усиления, напряжение с выхода усилителя 5 проходит через разделительный конденсатор 11 и падает на нагрузочном резисторе 12. За счет использования разделительного конденсатора 11, выходное напряжение датчика UOUT на резисторе 12 не имеет постоянной составляющей по отношению к цепи заземления GND. Оно оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 13. Цифровое значение моментального напряжения на входе преобразователя 13, в виде выходного двоичного кода, передается в контроллер машины (на рисунке не показан). Величина размаха UOUT, соответствующего переменному выходному напряжению датчика, характеризуется целочисленным значением перепада ΔD выходных кодов АЦП 13 между минимальным и максимальным значением, возникающего за период прохождения одного зуба вала 1 в зазоре датчика.The voltage at the protective electrode is amplified by means of
Рассмотрим работу датчика при движении через его зазор банкноты 4. Как показано на Фиг. 2, зуб 15 зубчатого вала 1 еще не касается своей вершиной поверхности 8, пять зубьев 16-20 находятся в контакте с ней, а зуб 21 уже вышел из контакта с этой поверхностью. За счет большой разницы линейной скорости V1 вершин зубьев вала 1 и линейной скорости V4 движения банкноты, зубья 16-20 проскальзывают по поверхности 8 и создают на ней отрицательные поверхностные заряды, показанные знаком «минус». Плотность расположения этих знаков на рисунке условно отображает величину поверхностной плотности заряда.Consider the operation of the sensor as it moves through its nip of
По участку поверхности 8 банкноты, длина которого в направлении движения равна дуге из N1=5 зубьев поверхности вала 1, за время контакта проходит N2=8 зубьев, что следует из соотношения скоростей: N2/N1=V1/V4=1,6. Разность числа зубьев N2-N1=3 выражается в трех повторяющихся циклах контактной электризации, достигаемых к концу этого участка. Таким образом, поверхностная плотность отрицательного заряда на поверхности 8 нарастает от зуба 16 к зубу 20, поскольку зуб 16 первым из зубьев входит в контакт с поверхностью 8, а в контакте с зубом 20 находится та часть поверхности 8, на которой уже было выполнено три цикла контактной электризации. При выходе из датчика отрицательные заряды остаются на поверхности 8 и далее рассеиваются при движении через машину, стекая в цепь заземления через электропроводные элементы, касающиеся банкноты.Along the section of the
Положительные заряды, изображенные на Фиг. 2 знаками «плюс», распределяются по гальванически связанным проводящим поверхностям датчика. Их распределение определяется взаимодействием с отрицательными зарядами на поверхности 8 и представляет собой проявление электростатической индукции. Часть положительных зарядов располагается на поверхности вала 1. В местах контакта вершин зубьев 16-20 с поверхностью 8, положительные и отрицательные заряды находятся очень близко и практически полностью компенсируют электрическое поле друг друга. В местах впадин между зубьями, положительные заряды отделены от отрицательных и создают электрическое поле в зазоре.The positive charges shown in FIG. 2 by "plus" signs, distributed over galvanically connected conductive surfaces of the sensor. Their distribution is determined by the interaction with negative charges on the
Другая часть положительных зарядов перераспределяется между проводящими частями, находящимися в зазоре и его ближайшей окрестности. Под действием поля отрицательных зарядов на поверхности 8, заряды наводятся на поверхностях приемного 2 и защитного 3 электродов, обращенных в зазор, а также на поверхности вала 1.Another part of the positive charges is redistributed between the conducting parts located in the gap and its immediate vicinity. Under the action of the field of negative charges on
Положительные заряды передаются между зубчатым валом 1 и защитным электродом 3 непосредственно через цепь GND, с которой они соединены. Потенциал приемного электрода 2, в среднем, тоже равен GND. Однако, положительный заряд QIN, наведенный в приемном электроде 2, протекает в него не напрямую, а через конденсатор 7, поскольку сопротивление резистора 6 очень велико. По мере вращения зубчатого вала 1, величина заряда, наведенного в приемном электроде 2, периодически изменяется на величину ΔQIN. Так как CIN<<С7, то конденсатор 7 своей относительно большой емкостью обеспечивает малость отклонения потенциала приемного электрода 2 от потенциала GND. Соответственно, на конденсаторе 7 возникает малое переменное напряжение с размахом ΔUIN, определяемое соотношением
Рассмотрим более подробно, какая величина заряда наводится в приемном электроде 2 в случае размещения некоторой нормированной плотности статического заряда на поверхности 8. На Фиг. 3 показаны графики зависимости QIN и ΔQIN от расстояния между заряженной поверхностью 8 банкноты 4 и поверхностью изолирующего слоя 9. Эти графики были рассчитаны с использованием метода конечных элементов и соответствуют различным положениям банкноты в зазоре, начиная от контакта с изолирующим слоем 9 вплоть до контакта с поверхностью зубьев вала 1. Наивысшее значение ΔQIN, соответствующее наибольшему размаху ΔUIN и ΔUOUT, а также перепаду ΔD кодов на выходе АЦП 13, наблюдается именно в состоянии контакта между поверхностью 8 и поверхностью зубьев вала 1, то есть в рабочем положении банкноты в датчике. Напротив, случайно возникшие свободные заряды на поверхности изолирующего слоя 9 влияют на наведенный заряд приемного электрода 2 лишь в минимальной степени, что способствует уменьшению помех в датчике.Let us consider in more detail what amount of charge is induced in the receiving
Банкнотная бумага всегда содержит некоторое количество природного полимера лигнина, из-за чего она обладает сравнительно невысокой способностью к контактной электризации. Поэтому, при движении банкноты, не содержащей на поверхности 8 включений синтетических полимеров, получаемые значения ΔUIN, ΔUOUT и перепад ΔD кодов на выходе АЦП 13 остаются сравнительно небольшими. Из-за этого, перепад кодов ΔD не превышает некоторого, заранее заданного порогового значения. Синтетический полимер полиэтилентерефталат, из которого обычно изготавливают клейкую ленту, в отличие от бумаги, обладает очень высокой способностью к контактной электризации. Поэтому, при входе в датчик участка банкноты 9, на который наклеен фрагмент клейкой ленты из полиэтилентерефталата, резко возрастает плотность отрицательных зарядов на поверхности 8. Когда этот участок достигает зазора между приемным электродом 2 и поверхностью зубчатого вала 1, резко увеличиваются значения ΔUIN, ΔUOUT и перепад ΔD кодов на выходе АЦП 13. Соответственно, перепад кодов превышает заранее заданное пороговое значение, что рассматривается контроллером машины как признак наличия клейкой ленты на поверхности банкноты. В этом случае, контроллер выдает команду на перенаправление банкноты в специально выделенный карман для отбракованных банкнот. Контроль электризации поверхности 8 может использоваться и для целей проверки подлинности. Современная банкнота может содержать участки защитных меток с аппликацией полимерной пленки либо с нанесением антистатического состава, которые, соответственно, отличаются от бумаги повышенной контактной электризуемостью либо почти полным отсутствием ее. Контроллер может проверять отклик датчика в строго определенных местах расположения защитных меток на банкноте и сравнивать полученные значения перепада ΔD кодов на выходе АЦП 13 в этих местах с заранее известными допустимыми интервалами. В том случае, если полученные результаты не попадают в допустимые интервалы, банкнота признается неподлинной, и контроллер должен выдать команду на перенаправление банкноты в карман для отбракованных банкнот.Banknote paper always contains a certain amount of the natural polymer lignin, which is why it has a relatively low contact electrification ability. Therefore, when the banknote moves, which does not contain inclusions of synthetic polymers on the
Датчик также может использоваться для контроля банкнот 4, содержащих электропроводные области поверхности 8. Выходной перепад ΔUOUT при нахождении такой области в зазоре будет практически отсутствовать, поскольку электропроводная область будет в это время соединена с постоянным потенциалом цепи GND через контакт с зубом вала 1. Указанное отсутствие отклика датчика, выражающееся в практически нулевой величине ΔD перепада кодов на выходе АЦП 13, также может использоваться в качестве браковочного признака.The sensor can also be used to monitor
На Фиг. 4 изображена реализация изобретения с использованием дополнительного металлического вала 22, идентичного по конструкции зубчатому валу 1 и также соединенного с цепью заземления GND через электропроводную смазку в подшипниках. Вообще говоря, дополнительный вал может быть иной конструкции, например, он может отличаться по диаметру от вала 1 и/или не иметь зубьев. Остальные элементы данной реализации идентичны показанным на Фиг. 1 и Фиг. 2.FIG. 4 shows an implementation of the invention using an
В рассматриваемой реализации зубчатый вал 1 производит контактную электризацию первой поверхности 8 банкноты 4, а дополнительный вал 22 осуществляет контактную электризацию второй поверхности 23 этой банкноты. Положительный заряд, созданный в ходе контактной электризации на поверхности дополнительного вала 22, стекает в цепь заземления GND. Валы 1 и 22 вращаются в противоположные стороны, причем линейная скорость поверхности каждого из них равна Во время прохождения через измерительный конденсатор, образованный поверхностью зубчатого вала 1 и приемным электродом 2, перепад наведенного заряда приемного электрода ΔQIN определяется плотностями поверхностного заряда как на поверхности 8, так и на поверхности 23. При одинаковой плотности заряда, отклик ΔQIN от второй поверхности 23 банкноты 4 оказывается несколько слабее отклика от первой поверхности 8. Это, в соответствии с зависимостью ΔQIN на Фиг. 3, можно объяснить большей удаленностью второй поверхности 23 от поверхности вала 1. Различие откликов от поверхностей 8 и 23 невелико в силу малой толщины банкноты, составляющей около 100 мкм.In the considered implementation, the
Когда на поверхности 8 или же на поверхности 23 находится фрагмент клейкой ленты, то на этом месте резко увеличивается поверхностная плотность заряда, возникшего вследствие контактной электризации. Соответственно, при прохождении этого места через измерительный конденсатор, резко увеличиваются значения ΔUIN, ΔUOUT, а также перепад ΔD кодов на выходе АЦП 13. Отметим, что по указанным увеличившимся величинам нет возможности точно определить, на какой именно поверхности банкноты находится клейкая лента. Когда перепад ΔD кодов на выходе АЦП 13 превышает заранее заданное пороговое значение обнаружения, это рассматривается контроллером машины как признак наличия клейкой ленты на любой из поверхностей банкноты. В таком случае, контроллер выдает команду на перенаправление банкноты в карман для отбракованных банкнот. Описанная реализация дает возможность контроля сразу двух сторон банкноты.When on the
В конфигурации из двух валов 1 и 22, показанной на Фиг. 4, облегчается прохождение ведущей кромки банкноты 4 между поверхностями валов. Это достигается за счет того, что поверхность вала 1 отклоняет ведущую кромку по стрелке 24, направляя ее в промежуток между валами 1 и 22 и не давая ей отклониться в сторону. Это важно для уменьшения вероятности замятия банкнот в механизме.In the two-
Указанные здесь способы контроля неоднородности поверхности банкнот при помощи заявленного датчика могут быть применены к более широкому кругу тонких объектов, включая сюда защищенные документы, бумажное и тканевое полотно, полимерные пленки, а также другие изделия и полуфабрикаты.The methods described here for monitoring the surface irregularity of banknotes using the inventive sensor can be applied to a wider range of thin objects, including security documents, paper and fabric webs, polymer films, as well as other products and semi-finished products.
Claims (34)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021106616A RU2761361C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Triboelectric sensor for controlling a movable thin object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021106616A RU2761361C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Triboelectric sensor for controlling a movable thin object |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2761361C1 true RU2761361C1 (en) | 2021-12-07 |
Family
ID=79174357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021106616A RU2761361C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Triboelectric sensor for controlling a movable thin object |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2761361C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2659951C1 (en) * | 2015-02-05 | 2018-07-04 | Джи Ар Джи БЭНКИНГ ЭКВИПМЕНТ КО., ЛТД. | Device for measuring thickness of sheet material |
| RU2721099C1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-05-15 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс") | Device for detecting inhomogeneity with sharp boundaries of a thin object, and a method for use thereof |
| RU2723971C1 (en) * | 2020-01-28 | 2020-06-18 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс") | Electrostatic sensor for controlling a movable thin object |
-
2021
- 2021-03-15 RU RU2021106616A patent/RU2761361C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2659951C1 (en) * | 2015-02-05 | 2018-07-04 | Джи Ар Джи БЭНКИНГ ЭКВИПМЕНТ КО., ЛТД. | Device for measuring thickness of sheet material |
| RU2721099C1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-05-15 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс") | Device for detecting inhomogeneity with sharp boundaries of a thin object, and a method for use thereof |
| RU2723971C1 (en) * | 2020-01-28 | 2020-06-18 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс") | Electrostatic sensor for controlling a movable thin object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8651481B2 (en) | Apparatus and method for detecting the thickness of a sheet document | |
| JP4755283B2 (en) | Paper thickness detector | |
| RU2008142853A (en) | DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING CONDITION FOR DETECTING WEAR OF MOVING COMPOSITE POLYMER FIBER BELT (OPTIONS) | |
| US7406876B2 (en) | Sensor arrangement | |
| CN105318819B (en) | The detection device of film thickness | |
| SE524283C2 (en) | Method and apparatus for providing dynamic ultrasonic measurement of parameters of roller element bearings | |
| RU2761361C1 (en) | Triboelectric sensor for controlling a movable thin object | |
| Hu et al. | Non-contact vibration monitoring of power transmission belts through electrostatic sensing | |
| Hu et al. | Simultaneous measurement of belt speed and vibration through electrostatic sensing and data fusion | |
| Wang et al. | Comparison of single and double electrostatic sensors for rotational speed measurement | |
| US11467117B2 (en) | Sensor array | |
| JPH05508708A (en) | pinhole detector | |
| Hu et al. | Simultaneous measurement of conveyor belt speed and vibration using an electrostatic sensor array | |
| RU2723971C1 (en) | Electrostatic sensor for controlling a movable thin object | |
| KR102684192B1 (en) | Composite sensing type pressure sensor | |
| US4862065A (en) | On-line web internal resistivity measuring apparatus | |
| CA2513570C (en) | Flexible piezoelectric sensor arrangement for remotely monitoring an elastic structure | |
| CN101180535B (en) | Method and apparatus for detecting foreign matter in moving solid, elongated article under test | |
| CN106352783B (en) | Thickness detection device | |
| US20240337526A1 (en) | Sensor and method for determining relative motion between two objects | |
| Rahmat et al. | Sensing and filtering characteristics of electrostatic sensors for pneumatically conveyed particles | |
| Cotton et al. | Stretchable touch sensitive keypad | |
| RU2764385C1 (en) | Apparatus for monitoring the defect rate of wire insulation | |
| RU2434294C1 (en) | Unit for control of thickness of sheet material and device using this unit | |
| Noras | Capacitive probe-principle of operation |